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超轻质夹芯结构的力学性能分析及优化

吴琼  
【摘要】:超轻质夹芯结构以其优异的力学性能和多种应用功能受到许多材料学家和工程师的青睐。本文简述了超轻质夹芯结构的力学行为及其优化方面的研究进展,以有限元软件ANSYS为平台,对几种典型的超轻质夹芯结构进行力学性能分析及结构优化,主要工作如下: 将六边形蜂窝胞壁简化为线弹性Bernoulli-Euler梁,推导其等效弹性参数的解析式,建立正六边形蜂窝3D有限元模型,通过数值模拟分析,得到了面内等效杨氏模量,并与解析计算的结果以及文献铝蜂窝夹芯的压缩试验结果相比较,说明Bernoulli-Euler梁理论推导出的等效弹性参数的计算公式误差相对较大,同时也证明本文数值模拟方法的有效性。 研究了在轴压载荷作用下圆柱壳结构的失稳模态和结构承载效率,分析了空心圆柱壳厚度对失稳模态和承载效率的影响,以及圆柱壳内填充轻质泡沫芯体对提高承载效率的作用;研究了圆柱壳结构的基于参数化建模、稳定性分析以及承载效率优化的一体化方法,并采用有限元软件ANSYS的APDL语言予以实现。 以采用同种金属材料、相同的几何尺寸和相同的芯体相对密度作为初始条件,分别建立泡沫夹芯梁、蜂窝夹芯梁、周期性桁架夹芯梁的参数化有限元模型,考虑相应的强度准则以及刚度约束,建立无量纲的重量指数和载荷指数,利用有限元软件ANSYS在三点弯曲下分别分析优化这三种夹芯结构,得出相应的载荷指数-重量指数曲线,并进行比较。说明周期性桁架夹芯梁具有良好的重量承载特性。 针对目前结构的多目标优化中存在着只考虑单一确定工况的不足,本文考虑了超轻质夹芯结构在多工况下的多目标优化,引入统计学概念,提出了一种结构的多工况多目标优化的量化评价方法,并将这种方法运用在周期性桁架夹芯结构的优化上。


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